多光子Hong-Ou-Mandel干涉实现明亮热光源的超分辨率成像

该研究团队提出了一种量子光学成像方案,通过让任意强度的横向位移热光源与参考单光子福克态在分束器处发生多光子干涉,实现了对热光源的横向位移成像。通过获得输出端横向动量分辨的L光子概率解析表达式,费舍尔信息分析表明:基于多光子事件干涉采样构建的分离估算器,在广泛分离距离和光源亮度范围内,其精度较现有成像方案显著提升。偶光子数符合测量在亚瑞利区域展现出恒定精度,证实了该方案突破衍射极限的量子超分辨能力。对于每帧平均发射Ns∼1光子的光源(如热光源红外辐射),该方案的精度边界与Ns呈线性关系,体现了对弱光源(Ns≪1)的估算精度增强特性,并达到了终极量子标度极限。在傅里叶平面进行横向动量分辨时,即使采用δy∼100μm量级的粗像素尺寸(典型光斑尺寸σx∼0.1μm),该方案对中等及大分离距离仍能保持有限成像精度。相较之下,现有衍射受限直接成像和超分辨反演干涉成像方案会因粗像素尺寸导致性能严重退化且应用受限。该方案将Hong-Ou-Mandel干涉仪相对简单的传感操作、任意亮度热光源的多光子符合检测以及横向光子动量内变量分辨相结合,为纳米尺度化学与生物系统中明亮光源的无创单粒子追踪成像提供了稳健的替代方案。

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提交arXiv: 2026-02-23 12:24

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